陜西商南礦山地質環境質量評價

王念秦，李仁偉

(西安科技大學地質與環境學院，陜西 西安 710054)

陜西省商南縣礦產資源豐富，共有103座礦山，32種可開采礦產資源，其中，金紅石儲量為亞洲第一，鏡鐵礦儲量居世界第二。截至2017年底，全縣共有地質災害點183處，其中，滑坡178處、崩塌4處、泥石流1處，不合理的礦山建設、開采活動是誘發地質災害的主要因素之一。因此,調查研究商南縣礦山地質環境質量，分析其空間分布特征，明確主要問題區，對于指導治理礦山地質環境問題具有重要的現實意義[1-3]。目前,我國礦山地質環境質量評價多數圍繞單個礦山或礦區，區域性礦山地質環境質量綜合評價還處于探索之中[4-6]。本文以陜西省商南縣為研究區，在綜合考慮礦山建設、開采所帶來負面效應的同時，注重評價指標的通用性。可為區域性礦山地質環境質量評價提供方法借鑒。

1 研究區礦山開發及地質環境問題空間分布

現階段商南縣開發的礦種主要有釩礦、鐵礦、大理石、金紅石、鈉長石、重晶石等，其中，釩礦、鐵礦以地下開采為主；大理石、金紅石、重晶石等以露天開采為主。礦山主要集中在青山鎮、水溝鎮、魏家臺鎮、十里坪鎮等中南部山區鄉鎮。地質災害以崩塌、滑坡、泥石流為主。據統計，魏家臺鎮、水溝鎮、青山鎮、湘河鎮及十里坪鎮共有地質災害115處，約占全縣地質災害數量的63%。研究區礦山與地質災害分布示意圖如圖1所示，兩者在空間分布上具有較好的一致性。

2 評價指標體系與評價方法

2.1 評價指標體系

2.1.1 構建評價指標體系

構建評價指標體系是礦山地質環境質量評價的基礎環節，同時也是最為關鍵的部分，評價指標選取是否得當將對后續評價工作產生重要影響[7-8]。在借鑒寧夏[9]、山東[10]、甘肅[11]、吉林[12]等省(區)礦山地質環境質量評價指標體系的基礎上，基于針對性、簡明性、可量化、數據易取得等指標選取原則，針對研究區實際情況，選取了礦業開發對地質環境的影響、基礎地質與生態環境3方面，共計16個評價指標來分析研究區礦山地質環境質量水平，見表1。

2.1.2 評價指標分級

礦山地質環境是一個復雜系統，評價指標存在不確定性與模糊性，需利用模糊數學對各評價指標進行分級賦值，進而可定量評價[13]。本文根據《礦山地質環境調查評價規范》(DD2014—05)[14]、2017年《商南縣礦山地質環境調查報告》，并結合2016年《商洛市統計年鑒》、2016年《商南縣統計年鑒》，各指標分類見表2。

圖1 研究區礦山與地質災害分布示意圖

表1 研究區礦山地質環境質量評價指標體系

表2 評價指標分類表

2.2 評價方法

本文采用正方形網格單元劃分法，以4 km×4 km為一單元，共劃分196個評價單元，如圖2所示。首先根據表2對每個單元格進行評判、賦值。然后基于SPSS 20.0軟件利用熵值法計算出每個單元格各評價指標的權重，再利用集對分析理論求得各單元的聯系度，最后依據聯系度劃分礦山地質環境質量等級。

圖2 研究區評價單元網格劃分圖

熵值法是把各評價指標的信息進行量化與綜合，計算各指標反應的信息熵，通過信息熵來確定權重的客觀賦權法。熵值法有效地避免了人為因素的干擾，使評價結果更加符合實際情況，從而得出客觀可靠的評價結果。與主觀賦權法相比，客觀賦權法計算得出的權重值以實際調查數據為依據，對數據本身進行挖掘，尋找其內在規律，從而更具客觀性[15]。近年來，熵值法在科學研究中多有應用，在此不再闡述其原理。目前集對分析理論已經逐步應用到科研領域中，因其具備可統一處理與描述由隨機性、模糊性、不完整性等因素組成的確定或不確定系統，特別適合用于評價礦山地質環境質量[16]。

集對分析是在一定的問題背景下，將具有一定聯系的兩個集合A、B，組成集對H(A、B)。這樣的兩個集合的特征可以從同、異、反三個方向分析，并可以用聯系度的表達式來表示，見式(1)。

(1)

式中：u為集對的聯系度；N為特征的總和；S為集對中兩個集合共有特征數量；P為集對中兩個集合對立特征的數量；F=N-S-P，為集對中兩個集合既不同一也不對立特征的個數；i為差異不確定性系數，其取值范圍為[-1,1]，當i取1或-1時都屬于確定，i∈(-1,1)屬于不確定，且i趨近0時，其不確定性明顯增加；j為對立系數，其值通常取-1。考慮到各特征權重，式(1)可用式(2)表示。

(2)

式中：wk(k=1，2，3，…，N)為特征權重，通過前述熵值法獲得；i、j的概念及取值同式(1)。

為了直觀地計算聯系度，將式(2)改寫為式(3)，同時利用Matlab軟件編程，實現快速計算。

u=W×R×E=

(3)

式中：W為權重系數向量；R為同異反多元測量評價矩陣；E為聯系分量矩陣。

由式(3)可以對評價單元的聯系度進行求解，進而得出合理的評價結論。

3 礦山地質環境質量分區

如前所述，將研究區劃分為196個4 km×4 km的評價單元。以過風樓鎮a評價單元為例，敘述其聯系度計算過程，其他單元格計算方法與其相同，過風樓鎮a評價單元各評價指標的權重見表3。

表3 過風樓鎮a評價單元指標權重

根據式(3)及表3中a評價單元各評價指標的權重，評價單元a的聯系度計算如下所示。

0.79+0.07i+0.14j

關于同、異、反多元測量評價矩陣元素及差異不確定性系數i的取值可參考文獻[17]和文獻[18]，通過計算可以得到聯系度，歸一化后取值范圍為[-1,1]，采用定義區間法將聯系度范圍分為[-1,-0.5)、[-0.5,0.5)及[0.5,1] 3個子區間，分別對應“良好”“一般”和“嚴重”。對a評價單元而言，無論i值在[-1,1]內如何變化，聯系度取值范圍為[0.58,0.72]，為[0.5,1]的子區間，因此a評價單元的礦山地質環境質量等級為“嚴重”。依據上述方法對圖3中剩余195個評價單元展開評價，可以得到各評價單元聯系度，并根據相應區間，將其劃分為“嚴重區”“一般區”“良好區”。根據分區結果，利用MapGIS6.7軟件繪制研究區礦山地質環境質量分級圖，如圖3所示。為了能夠量化地顯示出不同區域礦山地質環境質量的差異，繪制研究區礦山地質環境質量等值線圖，如圖4所示。

圖3 研究區礦山地質環境質量分級圖

圖4 研究區礦山地質環境質量等值線圖

4 討 論

在劃分的評價單元中礦山地質環境質量等級為“嚴重”的有16個，“一般”的有92個，“良好”的有88個。

結合2017年《商南縣礦山地質環境調查報告》及圖1、圖3、圖4可知：礦山地質環境質量等級為“嚴重”的區域主要分布在商南縣中南部山區，占研究區面積的8.16%。區內礦山密布，開采礦種為釩礦、鐵礦為主，均為地下開采。主要地質環境問題為礦業開發引起的地質災害、礦渣占用土地等。區內地質災害數量達39處，礦渣體積116.54×104m3，占用土地面積87.25 hm2。

礦山地質環境質量等級為“一般”的區域主要分布商南縣中東部及南部，占研究區面積的46.95%。區內礦山主要分布在富水鎮、青山鎮與魏家臺鎮。開采礦種以大理石與石灰石為主，露天開采，地質環境問題主要為礦業開發引起的地質災害、礦渣占用土地、破壞植被等。

礦山地質環境質量等級為“良好”的區域主要分布在商南縣西部，占研究區面積的44.89%。區內礦山零星分布，礦業開發對地質環境的影響較輕。

5 結 論

1) 礦山建設、開采活動對資源型城市的營運與發展至關重要，礦山地質環境質量評價是商南縣礦山地質環境綜合治理必不可少的一個重要環節。

2) 建立的評價指標體系以礦業開發對地質環境的影響為主，兼顧基礎地質與生態環境，共計3類，16個評價指標。評價指標體系具有針對性強、分析內容全面、易于計算、便于理解等優點。

3) 采用正方形網格單元劃分法將研究區劃分196個評價單元，運用模糊數學、熵值法、集對分析等方法處理數據，依據聯系度范圍，將其劃分為“嚴重區”“一般區”“良好區”，各占研究區面積的8.16%、46.95%、44.89%。經討論，評價結果與實際情況具有較好的一致性，可為商南縣礦山地質環境綜合治理提供理論依據。